PL161095B1

PL161095B1 - Sposób i urzadzenie do spektrofotometrycznego pomiaru stezenia aerozolowych i gazo-wych zanieczyszczen powietrza,zwlaszcza w ciagach wentylacyjnych PL

Info

Publication number: PL161095B1
Application number: PL28305989A
Authority: PL
Priority date: 1989-12-29
Filing date: 1989-12-29
Publication date: 1993-05-31

Abstract

1. Sposób spektrofotometrycznego pomiaru steze- nia aerozolowych i gazowych zanieczyszczen powietrza, zwlaszcza w ciagach wentylacyjnych, w którym wiazke promieniowania kieruje sie do obszaru pomiarowego i zwrotnie do fotodetektorów, znamienny tym, ze do obszaru pomiarowego kieruje sie wiazke promieniowa- nia im pulsowego, którego energie przypadajaca na jeden pomiar okresla sie za pomoca dodatkowego fotometry- cznego ukladu kontrolnego, którego wiazke promienio- wania kieruje sie do badanego obszaru pomiarowego wspólosiowo z wiazka promieniowania impulsowego, a za pomoca sygnalu tego dodatkowego ukladu fotome- trycznego zwieksza sie lub zmniejsza energie promienio- wania impulsowego, gdy odpowiednio zmniejsza sie lub zwieksza ten sygnal, a ponadto za pomoca sygnalu elek- trycznego odpowiadajacego natezeniu promieniowania wstecznie rozpraszanego z badanego obszaru, po osiag- nieciu przez to promieniowanie zalozonego, alarmowego poziomu wylacza sie emisje wiazki promieniowania impulsowego Fig. 1 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do spektrofotometrycznego pomiaru stężenia aerozolowych i gazowych zanieczyszczeń powietrza, zwłaszcza w ciągach wentylacyjnych. Urządzenie wykorzystuje zasadę pomiarową spektrofotometryczną, w widmowym obszarze światła widzialnego i ultrafioletu, w której optyczna wiązka pomiarowa stale przenika badany ,ciąg wentylacyjny.

Znane optyczne, przemysłowe analizatory polutantów wykorzystują metody i układy fotometryczne z pomiarem przepuszczalności (ekstynkcji) światła, jedno - lub dwuwiązkowe, w których źródłem promieniowania pomiarowego są emitery cieplne lub wyładowcze o stałej emisji.

W układach fotometrycznych, zazwyczaj z odniesieniem, na ogół stosuje się komutację mechaniczną wiązek pomiarowych i odniesienia z wykorzystaniem wirujących przesłon lub komutowanych elementów optycznych (zwieradła, filtry opt.) jak np. w analizatorze SIEMENS M52083

161 095 lub SICK GM 30. Jednak ruchome elementy mechaniczne prowadzą do ograniczenia niezawodności eksploatacyjnej. Robocza długość fali jest zwykle określona przez odpowiednie filtry interferencyjne dobrane widmowo do pasma absorpcji oznaczanego składnika gazowego a w układzie odniesieniowym także do przedziału widma przyjętego jako odniesienie. Oznaczanie kilku składników wymaga stosowania równocześnie kilku filtrów, co prowadzi do znacznej komplikacji analizatora.

Do równoczesnego oznaczania kilku polutantów stosuje się metody spektrometryczne np. spektrometrię ramanowską lub spektrofotometrię absorpcyjną z szybkim przemiataniem np. technikę fotodetekcji równczesnej (polski opis patentowy nr 148 393 lub analizator firmy SICK typ GM 30). Spektrometria ramanowska wymaga złożonej aparatury optycznej (źle znoszącej warunki pracy w przemyśle) orazjest podatna na maskowanie pomiaru widma przez pyły (aerozole). Stosuje się więc dodatkowe układy fotometryczne reagujące na składową światła rozproszonego, służące do pomiarów dużych stężeń aerozoli.

Sposób spektrofotometrycznego pomiaru stężenia aerozolowych i gazowych zanieczyszczeń powietrza według wynalazku polega na tym, że do obszaru pomiarowego kieruje się wiązkę promieniowania impulsowego, którego energię przypadającą na jeden pomiar określa się za pomocą dodatkowego fotometrycznego układu kontrolnego, którego wiązkę promieniowania kieruje się do badanego obszaru pomiarowego współosiowo z wiązką promieniowania impulsowego. Za pomocą sygnału tego dodatkowego układu fotometrycznego zwiększa się lub zmniejsza energię promieniowania impulsowego, gdy odpowiednio zmniejsza się lub zwiększa ten sygnał. Ponadto za pomocą sygnału elektrycznego odpowiadającego natężeniu promieniowania wstecznie rozpraszanego z badanego obszaru, po osiągnięciu przez to promieniowanie założonego, alarmowego poziomu wyłącza się emisję wiązki promieniowania impulsowego.

Urządzenie według wynalazku składa się z impulsowego źródła promieniowania o regulowanej liczbie impulsów oraz detektora kontrolnego, pomiędzy którymi znajduje się pierwszy element światłodzielący, znajdujący się równocześnie w osi głównej układu biegnącej od okna wlotowowylotowego obszaru pomiarowego do lustra zwrotnego i z powrotem do spektrofotometrycznego zespołu odbiorczego. Pomiędzy pierwszym elementem światłodzielącym i spektrofotometrycznym zespołem odbiorczym znajduje się filtr przepuszczający promieniowanie ultrafioletowe. Pomiędzy tym filtrem i pierwszym elementem światłodzielącym znajduje się drugi element światłodzielący. Pomiędzy pierwszym elementem światłodzielącym i impulsowym źródłem promieniowania znajduje się trzeci element światłodzielący odbierający promieniowanie źródła ciągłego promieniowania widzialnego. W osi prostopadłej do osi głównej układu, na przecięciu których znajduje się drugi element światłodzielący usytuowany jest drugi fotodetektor, pomiędzy którym to fotodetektorem i drugim elementem światłodzielącym znajduje się filtr przepuszczający promieniowanie widzialne. Ponadto w pobliżu osi głównej i okna wlotowo-wylotowego znajduje się trzeci fotodetektor.

Drugi fotodetektor stanowi ewentualnie dioda kwadrantowa.

Rozwiązanie według wynalazku umożliwia zautomatyzowane, długoterminowe pomiary „in situ“ składu polutantów gazowych oraz pyłów w przemysłowych ciągach wentylacyjnych (kominowych), przy czym urządzenie automatycznie optymalizuje swoje warunki pracy.

Przyjęta realizacja systemu spektrofotometIycznego zawiera trzy układy fotometryczne wzajemnie współdziałające w procedurze pomiarowej w ten sposób, że zachodzi autokorekcja warunków pomiaru wyrażająca się regulacją mocy wiązki pomiarowej.

Przedmiot wynalazku wyjaśniono przykładowo na rysunku, gdzie fig. 1 przedstawia schemat ideowy systemu fotometrycznego, fig. 2 - schemat przykładowego rozwiązania konstrukcji systemu fotometrycznego, fig. 3 - przykładowo widmo wyznaczone przez analizator.

Ideowy schemat systemu fotometrycznego (fig. 1) wyjaśnia istotę przyjętej według wynalazku konfiguracji torów optoelektronicznych. Pominięto elementy do kształtowania wiązek, jako oczywiste. Analizator zawiera w sobie zespół trzech układów fotometrycznych. Układ tworzący optyczną część spektrofotometru składa się kolejno ze źródła promieniowania impulsowego Z1, pierwszego elementu światłodzielącego LI, okna wlotowo-wylotowego OW, lustra zwrotnego BR optycznego filtru FI przepuszczającego promieniowanie ultrafioletowe, polichromatora PUV oraz zespołu fotodetekcyjnego ZFD.

161 095

Układ tworzący fotometr do wyznaczania średniej absorpcji w badanym obszarze składa się z żarowego źródła promieniowania Z2, trzeciego elementu światłodzielącego L3, pierwszego elementu światłodzielącego Ll, okna wlotowo-wylotowego OW, lustra zwrotnego BR, drugiego elementu światłodzielącego L2, optycznego filtru F2 przepuszczającego promieniowanie widzialne oraz z drugiego fotodetektora D2.

Układ tworzący fotometr promieniowania rozproszonego z badanego obszaru składa się ze źródła promieniowania jakim jest rozpraszanie światła z obszaru OW-BR-OW oraz trzeciego fotodetektora D3.

Na figurze 2 przedstawiono bardziej szczegółowy schemat przykładowego rozwiązania części optoelektronicznej analizatora według wynalazku. Na schemacie wyróżniono następujące dodatkowe podzespoły i zespoły: układ elektroniczny SG do zasilania i wyzwalania źródła impulsowego Zl, element światłowodowy SW (do kształtowania przekroju wiązki), znajdujący się pomiędzy elementami światłodzielącymi pierwszym LI i trzecim L3, kolimator źródeł KI znajdujący się pomiędzy elementem światłowodowym SW i pierwszym elementem światłodzielącym LI, obiektyw odbiorczy K2 znajdujący się na osi głowicy pomiędzy elementami światłodzielącymi pierwszym LI i drugim L2, elektroniczny układ KP do komutacji i przetwarzania sygnałów z polichromatora PUV na postać cyfrową, kolimator K3 dla źródła emisji wzorcowej ZW, źródło emisji wzorcowej ZW oraz filtr emisji wzorcowej F (wszytskie trzy podzespoły znajdują się na przedłużeniu osi: źródło impulsowego promieniowania Zl - fotodetektor kontrolny Dl), układ zasilania źródła wzorcowego ZW S.St. a ponadto przesłona elektromechaniczna PZ z retroreflektorem wzorcowania.

Na figurze 2 nie uwidoczniono zespołów koniecznych lecz oczywistych: układów transmisji sygnałów pomiarowych dla zdalnej rejestracji wyników oraz cyfrowego bloku do sterowania przetwarzania i obróbki algorytmicznej sygnałów pomiarowych.

Źródło promieniowania ultrafioletowego Zl wysyła impulsowo promieniowanie do obszaru badanego OW-BR-OW przechodzące kolejno przez: trzeci element światłodzielący L3, światłowód SW, kolimator KI kształtujący wiązkę rónoległą, pierwszy element światłodzielący LI, okno wlotowo-wylotowe OW, lustro zwrotne BR, aby następnie po przejściu przez okno wlotowowylotowe OW i pierwszy element światłodzielący LI oraz obiektyw odbiorczy K2 i drugi element światłodzielący L3 osiągnąć, po odfiltrowaniu składowej promieniowania widzialnego przez filtr pasmowy FI, szczelinę wejściową polichromatora PUV. Tam zachodzi widmowe rozszczepienie wiązki na składowe widma, zaś umieszczony na wyjściu polichromatora PUV wieloelementowy zespół fotodetekcyjny ZFD przetwarza natężenie promieniowania tych składowych na odpowiadające im sygnały elektryczne dając ostatecznie, po przetworzeniu w bloku KP, zespolony sygnał reprezentujący wyznaczane widmo absorpcji w badanym obszarze. Przykład takiego widma podaje fig. 3, gdzie Ap - absorpcja powodowana obecnością pyłów, Ano - pasmo absorpcji powodowanej przez obecność NO, Aso2 - pasmo absorpcji powodowanej przez obecność SO2, Awz - sygnał wzorca absorpcji.

Urządzenie realizuje więc pomiary spektrofotometryczne, z których dane widmowe pozwalają oznaczyć szukane stężenia polutantów obecnych w przestrzeni obszaru badanego OW-BR-OW.

Energia błysku źródła promieniowania impulsowego Zl jest stale kontrolowana fotodetektorem kontrolnym Dl, do którego dochodzi przez pierwszy element światłodzielący Ll część promieniowania źródła promieniowania impulsowego Zl. Sygnał z fotodetektora Dl jest wykorzystywany w bloku KP do normalizacji pomiarowej zespolonego sygnału widmowego i wyznaczania wartości absorpcji.

Promieniowanie ze źródła promieniowania wzorcowego ZW po przedostaniu się za pośrednictwem pierwszego elementu światłodzielącego Ll do polichromatora PUV służy jako sygnał kontroli poprawności skali absorbancyjnej spektrofotometrycznego analizatora polutantów. Zespół S. St. służy tu jako źródło zasilania dla źródła promieniowania wzorcowego ZW, zaś zespół SG zasila impulsowo źródło promieniowania impulsowego Zl.

Równocześnie źródło żarowe Z2 wysyła ciągle w badany obszar OW-BR-OW promieniowanie widzialne wykorzystując następującą drogę: trzeci element światłodzielący L3, element światłowodowy S W, kolimator źródeł K1, pierwszy element światłodzielący L1, badany obszar OW-BR-OW,

161 095 pierwszy element światłodzielący LI, obiektyw odbiorczy K2, aby następnie po odbiciu od drugiego elementu światłodzielącego L2 osiągnąć fotodetektor D2 stanowiący ewentualnie diodę kwadrantową. Umieszczony przed diodą kwadrantową filtr pasmowy F2 usuwa składową ultrafioletową. Sygnał Iw z fotodetektora F2 pozwala, po odpowiednim przetworzeniu w bloku KP, na wyznaczenie wartości ekstynkcji (dla zakresu widzialnego), a następnie określenie stężenia pyłów obecnych w analizowanej przestrzeni. Sygnał Iw jest ponadto wykorzystany do regulacji energii promieniowania emitowanej ze źródła impulsowego Z1 tak, że ze zmniejszeniem się wielkości Iw wzrasta liczba impulsów źródła impulsowego Z1 (a więc i energia przypadająca na jeden pomiar np. od 1 do 4).

Układ tworzący fotometr promieniowania rozproszonego z badanego obszaru realizuje pomiar natężenia promieniowania wstecznie rozpraszanego. Sygnał Ir z fotodiody D3 jest wykorzystywany w procedurze pomiarowej w ten sposób, że gdy osiągnie on wyznaczony (ustalony) poziom dla dużego stężenia pyłów, wtedy powoduje wyłączenie wyzwalania źródła promieniowania impulsowego Z1 oraz włączenie odpowiedniego obwodu uruchamiającego sygnalizację alarmową, która świadczy o przekroczeniu dopuszczalnego zakresu pomiarowego urządzenia analizującego. Duży poziom sygnału Ir oznacza bowiem powstanie niekorzystnych warunków działania urządzenia, gdy pomiary w obszarze ultrafioletu stają się zawodne. Ponadto jest też automatycznie optymalizowane wykorzystanie źródła promieniowania impulsowego Zl, które ma ograniczoną trwałość (liczbę błysków).

Rozwiązanie według wynalazku znajduje szczególnie korzystne zastosowanie do samoczynnego, ciągłego nadzoru źródeł zanieczyszczeń atmosfery, zwłaszcza pochodzących od polutantów emitowanych z kominów przemysłowych np. w energetyce cieplnej, hutnictwie, petrochemii lub w cementowniach.

Fig.3

161 095

Fig.1

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 10 000 zł

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób spektrofotometrycznego pomiaru stężenia aerozolowych i gazowych zanieczyszczeń powietrza, zwłaszcza w ciągach wentylacyjnych, w którym wiązkę promieniowania kieruje się do obszaru pomiarowego i zwrotnie do fotodetektorów, znamienny tym, że do obszaru pomiarowego kieruje się wiązkę promieniowania impulsowego, którego energię przypadającą na jeden pomiar określa się za pomocą dodatkowego fotometrycznego układu kontrolnego, którego wiązkę promieniowania kieruje się do badanego obszaru pomiarowego współosiowo z wiązką promieniowania impulsowego, a za pomocą sygnału tego dodatkowego układu fotometrycznego zwiększa się lub zmniejsza energię promieniowania impulsowego, gdy odpowiednio zmniejsza się lub zwiększa ten sygnał, a ponadto za pomocą sygnału elektrycznego odpowiadającego natężeniu promieniowania wstecznie rozpraszanego z badanego obszaru, po osiągnięciu przez to promieniowanie założonego, alarmowego poziomu wyłącza się emisję wiązki promieniowania impulsowego.
2. Urządzenie do spektrofotometrycznego pomiaru stężenia aerozolowych i gazowych zanieczyszczeń powietrza, zwłaszcza w ciągach wentylacyjnych zawierające źródła promieniowania światła oraz układ optyczny kierujący wiązkę promieniowania do obszaru pomiarowego i zwrotnie do fotodetektorów, znamienne tym, że składa się z impulsowego źródła promieniowania (Zl) o regulowanej liczbie impulsów oraz detektora kontrolnego (Dl), pomiędzy którymi znajduje się pierwszy element światłodzielący (LI), znajdujący się równocześnie w osi głównej układu biegnącej od okna wlotowo-wylotowego (OW) obszaru pomiarowego do lustra zwrotnego (BR) i z powrotem do spektrofotometrycznego zespołu odbiorczego (Puv, ZFD), przy czym pomiędzy pierwszym elementem światłodzielącym (LI) i spektrofotometrycznym zespołem odbiorczym (Puv, ZFD) znajduje się filtr (FI) przepuszczający promieniowanie ultrafioletowe, a pomiędzy tym filtrem (FI) i pierwszym elementem światłodzielącym (LI) znajduje się drugi element światłodzielący (L2), natomiast pomiędzy pierwszym elementem światłodzielącym (LI) i impulsowym źródłem promieniowania (Zl) znajduje się trzeci element światłodzielący (L3) odbierający promieniowanie źródła ciągłego promieniowania widzialnego (Z2), przy czym w osi prostopadłej do osi głównej układu, na przecięciu których znajduje się drugi element światłodzielący (L2) usytuowany jest drugi fotodetektor (D2), pomiędzy którym to fotodetektorem i drugim elementem światłodzielącym (L2) znajduje się filtr (F2) przepuszczający promieniowanie widzialne, a ponadto w pobliżu osi głównej i okna wlotowo-wylotowego (OW) znajduje się trzeci fotodetektor (D3).
3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że drugi fotodetektor (D2) stanowi dioda kwadrantowa.